Государственное бюджетное образовательное учреждение высшего профессионального образования «Сибирский государственный медицинский университет» Министерства здравоохранения Российской Федерации (ГБОУ ВПО СибГМУ Минздрава России) Научно-популярные материалы для школьников и школьных учителей При поддержке Федеральной целевой программы «Научные и научнопедагогические кадры инновационной России» на 2009 – 2013 годы» Соглашение на предоставление гранта от 23 октября 2012 г. № 8302 Томск, 2013 Апоптоз – запрограммированная форма гибели клетки с характерными морфологическими и биохимическими признаками Поддержание клеточного гомеостаза за счет удаления поврежденных клеток без развития воспаления • уменьшение размера клетки (сморщивание) • конденсация и фрагментация хроматина • уплотнение наружной и цитоплазматической мембран без выхода содержимого клетки в окружающую среду • переход фосфатидилсерина из внутреннего монослоя цитоплазматической мембраны в наружный монослой • формирование апоптотических телец • фагоцитоз апоптотических телец без развития воспаления • Инициаторная фаза • Эффекторная фаза • Фаза деградации Происходит восприятие и проведение проапоптотического стимула в клетку, в качестве которого могут быть: •нерепарируемые повреждения ДНК • белковые продукты протоонкогенов •молекулы-лиганды мембранных рецепторов смерти •избыток или недостаток гормонов и ростовых факторов •потеря контакта с базальной мембраной или соседними клетками •вирусная инфекция •некоторые фармакологические агенты «Отрицательные» Дефицит: факторов роста, цитокинов Ацидоз, АФК «Положительные» TNFα, FasL Гепатотропные, нейротропные Смешанные +Митоген –АГ -АГ +Митоген Глюкокортикоиды, тиреоидные Геном клетки Апоптоз Физико-химические факторы Вирусы Гормоны, проникающие в клетку Происходит активация каскада белковэффекторов и регулирующих их белковмодуляторов. Основными эффекторами апоптоза являются каспазы. Каспазы – ферменты расщепляющие белки по остаткам аспартата. Каспазы постоянно синтезируются практически в каждой клетке в виде проферментов. Прокаспазы содержат 4 домена: N-концевой домен, большую и малую субъединицы и короткую связывающую область между ними . При активации N-концевой домен и связывающий фрагмент между субъединицами отщепляется путем протеолитического расщепления в местах расположения аспарагиновых оснований. В результате формируется гетеродимер. Активная каспаза – это тетрамер, состоящий из двух таких гетеродимеров. • Активация прокаспаз с образованием каспаз • Расщепление антиапоптозных белков семейства Bcl-2 • Гидролиз белков ламинов, укрепляющих ядерную мембрану, что ведет к конденсации хроматина • Разрушение белков, участвующих в регуляции цитоскелета • Инактивация и нарушение регуляции белков, участвующих в репарации ДНК, сплайсинге мРНК, репликации ДНК. Характеризуется разрушением (деградацией) хроматина. В основе которого ферментативное расщепление ДНК. Оно происходит в несколько этапов с формированием все более мелких фрагментов. Деградация хроматина при апоптозе является активным процессом, зависящим от температуры, источников энергии, синтеза РНК и белка de novo. • Рецепторный • Митохондриальный • Р53-опосредованный (ядерный путь) •взаимодействие лигандов принадлежащих к семейству фактора некроза опухоли (TNF) - TNF-α и FasL с соответствующими рецепторами смерти TNFR и FasR, соответственно. •формирование сигнального комплекса, инициирующего гибель клетки (DISC): адаптерный белок (TRADD или FADD ) и прокаспаза-8, -10 •активация каспазы-8, -10, которые в свою очередь активирует каскад каспаз, что ведет к клеточной гибели •итогом связывания лиганда с рецептором может быть не только активация гибели клетки, но и стимуляция пролиферации, выживание, все зависит от комплекса молекул, входящих в состав DISC . Происходит повышение проницаемости внутренней мембраны митохондрий вследствие образования гигантских пор. Раскрытие пор вызывается: АФК, истощение клеток восстановленным глутатионом, НАДФН, АТФ и АДФ, разобщение окислительного фосфорилирования протонофорными соединениями, увеличение содержания Ca2+ в цитоплазме, повреждение ДНК, действием радиации, цитотоксические агенты, глюкокортикоиды, укорочение до критического уровня теломеров., воздействие церамида, SHреагенты. Следствием раскрытия пор является набухание митохондриального матрикса, разрыв наружной мембраны митохондрий и высвобождение растворимых белков межмембранного объема, такие как: цитохром с, AIF, эндонуклеаза G и регуляторные белки Smac/DIABLO, прокаспазы 2, 3 и 9, Omi/HtrA2 AIF – апоптозиндуцирующий независимо от каспаз. фактор, действует Эндонуклеаза G – вызывает разрушение (фрагментацию) ДНК по каспазанезависимому пути. Smac/DIABLO – проапоптотический белок, блокирует действие ингибиторов апоптоза. Omi/HtrA2 участвует в регуляции как каспазазависимого, так и каспазанезависимого путях проведения апоптоза. В цитоплазме Apaf-1 претерпевает изменения с затратой энергии и связывается с цитохромом с. Объединение не менее 8 субъединиц Apaf-1 с цитохрома c и прокаспазой-9 образуют апоптосому. Таким образом активируется каспаза-9, которая в свою очередь, активирует прокаспазу-3 с образованием эффекторной каспазы-3. ПОВРЕЖДЕНИЕ ДНК ЭКСПРЕССИЯ ВАХ АПОПТОЗ р53 р21 ЗАДЕРЖКА КЛЕТКИ В G1 ЭКСПРЕССИЯ Вcl-2 РЕПАРАЦИЯ ДНК • Белки семейства Bcl-2 • Вещества, оказывающие влияние на каспазы (cFLIP , IAР, Aven) • ARC (apoptosis repressor with caspase recruitment domain) • Hsp (heat shock protein) • Антиоксидантные системы • Внутриклеточные газовые трансмиттеры • Активные формы кислорода и окислительная модификация биомолекул Молекулы Bcl-2 и Bcl-x локализуются в мембранах митохондрий, закрывая тем самым каналы, через которые осуществляется выброс цитохрома c и/или AIF. Bax, находящийся в норме в цитоплазме, перемещается в митохондриальную мембрану при апоптогенных сигналах, и способствует открытию канала, через который выходит цитохром с . Кроме того, Bax способен образовывать комплексы с белками Bcl-2, Bcl-x, что также открывает закрытые до этого каналы. Другие проапоптотические белки механизм действия, что и у Bax. семейства Bcl-2 имеют схожий Относятся к эндогенным подавляющие активацию каспаз. веществам, cFLIP препятствует взаимодействию прокаспазы-8 с FADD. IAR тормозят активность каспаз 3, 7, 9. Aven блокирует активацию каспазы-9 путем нарушения процесса самосборки комплекса Apaf1/каспаза-9 Характерен в основном для поперечнополосатой мускулатуры. Взаимодействует с каспазами 2, 8 и тормозит рецептор-опосредованный путь апоптоза. Подавляет выход цитохрома с из митохондрий и препятствует развитию апоптоза при гипоксии. • Открыты в 1962 г. F. Ritossa • Классифицируются по молекулярной массе и по характеру синтеза в клетке (конститутивные – постоянно присутствуют в клетке, индуцибельные – синтезируются при действии стрессовых факторов) • Накопление Hsp в клетке осуществляется под действием факторов провоцирующих клеточный стресс • Оказывают разнонаправленное действие на реализацию программы клеточной гибели Антиоксиданты – широкий класс веществ различной химической природы, которые способны тормозить или устранить свободно-радикальное окисление органических соединений. Основная классификация по каталитической активности: ферментативные (супероксиддисмутаза (СОД), каталаза, глутатионпероксидаза (ГПО), глутатионредуктаза, все ферменты аскорбатглутатионового цикла, а также трансферазы) Неферментативные (каротиноиды, аскорбиновая кислота, восстановленный глутатион (GSH), αтокоферол, флавоноиды и др. ) Регулирующие дейстие на апоптоз оказывают NO, CO и H2 Оказывают как про- так и антиапоптотический эфффект на клетку Результат влияния газотрансмиттеров на клетку во многом определяется типом клеток, концентрацией газа и временем экспозиции доноров газов на клетки Активные формы кислорода постоянно образуются в организме в малых количествах, выполняя роль вторичных мессенжеров (посредников). Представители активных форм кислорода: супероксидный анионрадикал (О2•–), гидроксильный радикал (ОН•), перекись водорода (Н2О2) и др. В высоких концентрациях токсично действуют на клетки. Способны взаимодействовать с липидами, белками и нуклеиновыми кислотами. Образуя окислительно модицицированные продукты с нарушенной структурой и функционированием. Активирование МАР-киназ (JNK, p38) и тем самым запускание каскада последовательного фосфорилирования ферментов. Пример, JNK активирует фактор транскрипции р53, проапоптотические протеины Bad и Bax, при этом инактивируя антиапоптотические белки семейства Bcl-2. Избыточная продукция АФК может привести к повышенному содержанию однонитевых разрывов в ДНК, усиливая тем самым экспрессию белка р53. Возрастание концентрации О2• – и перекисных соединений вызывает образование пор во внутренней мембране митохондрий, что способствует выходу в цитозоль проапоптотических факторов митохондрии. 1. Заболевания, связанные с ингибированием апоптоза Опухоли. Аутоиммунные болезни. Вирусные инфекции (герпес, аденовирусы). Заболевания, протекающие с гиперэозинофильным синдромом. • Нейропролиферативные заболевания (шизофрения). • • • • 2. Заболевания, связанные с усилением апоптоза. • СПИД. • Нейродегенеративные заболевания (болезнь Альцгеймера, паркинсонизм, боковой амиотрофический склероз). • Болезни крови (миелодиспластический синдром, апластическая анемия). • Ишемические повреждения (инфаркт миокарда, инсульт, реперфузионные повреждения). • Токсические повреждения печени. • Заболевания почек.